核磁共振的發(fā)展史

1、微波順磁共振的發(fā)展及其應(yīng)用程亞超摘要微波順磁共振是指在微波波段的電子自旋共振，與射頻段的電子自旋共振一樣，只是用微波磁場(chǎng)取代射頻場(chǎng)，因而磁共振靈敏度和分辨率都較高，可以獲得自旋共振的超精細(xì)結(jié)構(gòu)譜線。關(guān)鍵詞微波順磁共振電子自旋共振微波磁場(chǎng)射頻場(chǎng)電磁波的發(fā)展應(yīng)用已經(jīng)人盡皆知，但微波傳輸技術(shù)應(yīng)用不是誰(shuí)都清楚，本文主要講述微波傳輸技術(shù)特別是微波順磁共振的的應(yīng)用技術(shù)，并對(duì)此作一個(gè)詳細(xì)的介紹、分析、總結(jié)。1 .電磁波簡(jiǎn)介1.1 電磁波傳輸技術(shù)(1)電磁波的分類(lèi)微波是電磁波的一部分，通常是指波長(zhǎng)范圍為1mm至1m,即頻率范圍為300GHz至300MHz的電磁波。電磁波波段的分類(lèi)及應(yīng)用見(jiàn)表1：波段波長(zhǎng)范圍頻率

2、范圍應(yīng)用范圍超長(zhǎng)波100000-10000m3-30kHz1.海岸一一潛艇通信；2.海上導(dǎo)航。長(zhǎng)波10000-1000m30-300kHz1.大氣層內(nèi)中等距離通信；2.地下巖層通信；3.海上導(dǎo)航。中波1000-100m300kHz-3MHz1.廣播；2.海上導(dǎo)航。短波100-10m3-30MHz1.遠(yuǎn)距離短波通信；2.短波廣播。超短波10-1m30-300MHz1.電禽層散射通信(30-60MHz);2.流星余跡通信(30-100MHz);3.人造電離層通信(30-144MHz);4.對(duì)大氣層內(nèi)、外空間飛行體(飛機(jī)、導(dǎo)彈、衛(wèi)星)的通信；電視、雷達(dá)、導(dǎo)航、移動(dòng)通信。分米波1-0.1m300-30

3、00MHz1.對(duì)流層工散射通信(700-1000MHz);2.小容量(8-12路)微波接力通信(352-420MHz);3.中容量(120路)微波接力通信(1700-2400MHz)。厘米波10-1cm3-30GHz1.大容量(2500路、6000路)微波接力通信(3600-4200MHz,5850-8500MHz);2.數(shù)字通信；3.衛(wèi)星通信；4.波導(dǎo)通信。毫米波10-1mm30-300GHz穿入大氣層時(shí)的通信表1(2)電磁波的傳輸電磁波除了在無(wú)限空間或半無(wú)限空間遵循某種規(guī)律傳播外，還可以沿著某種裝置傳輸，這種裝置起著引導(dǎo)電磁波傳輸?shù)淖饔?，這種電磁波稱(chēng)為導(dǎo)行電磁波。該裝置稱(chēng)為導(dǎo)波裝置。導(dǎo)波裝

4、置可以由某種形狀的金屬材料所構(gòu)成，也可以由某種材料的介質(zhì)材料所構(gòu)成，還可以由某種形狀的介質(zhì)和金屬制成。在不同的導(dǎo)波裝置上可以傳輸不同模式的電磁波。所謂不同模式的電磁波就是在垂直于電磁波傳輸方向的橫截面上具有不同的場(chǎng)分布，每一種場(chǎng)分布稱(chēng)為一種模式。不同模式的電磁波是由求解滿足特定邊界條件的亥姆霍茲方程所決定的。根據(jù)這些分析，我們可以得到在各種導(dǎo)波裝置中各種模式電磁波傳輸?shù)囊?guī)律，由此可以對(duì)導(dǎo)波裝置提出合理的設(shè)計(jì)要求，以便使導(dǎo)波裝置更好地傳輸電磁波2。電磁波的傳輸主要有以下五個(gè)方面：沿均勻?qū)Рㄑb置傳輸電磁波的基本特性在導(dǎo)波裝置中的電磁場(chǎng)的表達(dá)式是滿足導(dǎo)波裝置特點(diǎn)的邊界條件的麥克斯韋方程組的解。對(duì)于均

5、勻?qū)Рㄑb置來(lái)說(shuō)，通常有兩種分析方法，這就是縱向場(chǎng)法和赫茲矢量法。由麥克斯韋方程組導(dǎo)出電場(chǎng)E和磁場(chǎng)H所滿足的矢量亥姆霍茲方程。根據(jù)導(dǎo)波裝置橫截面的形狀和尺寸沿電磁波傳輸方向（即導(dǎo)波裝置軸向方向）不變的特點(diǎn)，從E和H所滿足的矢量亥姆霍茲方程中分離出只含電場(chǎng)和只含磁場(chǎng)縱向分量的標(biāo)量亥姆霍茲方程。應(yīng)用導(dǎo)波裝置的邊界條件求出電場(chǎng)和磁場(chǎng)的縱向分量，再根據(jù)麥克斯韋方程組給出的電場(chǎng)和磁場(chǎng)縱向分量與電場(chǎng)和磁場(chǎng)橫向分量的關(guān)系求出電磁場(chǎng)全部的分量。這就是求解導(dǎo)波裝置中電磁場(chǎng)的縱向場(chǎng)法。由麥克斯韋方程組引出赫茲電矢量和赫茲磁矢量，建立起關(guān)于這兩個(gè)赫茲矢量的矢量亥姆霍茲方程。根據(jù)導(dǎo)波裝置橫截面的形狀選取合適的坐標(biāo)系和具

6、有合適方程的赫茲矢量，把關(guān)于赫茲矢量的矢量亥姆霍茲方程簡(jiǎn)化為標(biāo)量亥姆霍茲方程。解此方程就可求出赫茲矢量通過(guò)赫茲矢量就可確定導(dǎo)波裝置中的電磁場(chǎng)各分量的表達(dá)式。這就是求解導(dǎo)波裝置中電磁場(chǎng)的赫茲矢量法。矩形波導(dǎo)及其傳輸特性在微波波段，為了減小傳輸損耗并防止電磁波能量向外泄露，往往采用空芯的金屬管作為傳輸電磁波能量的導(dǎo)波裝置。這種空芯金屬導(dǎo)波裝置通常稱(chēng)為波導(dǎo)，電磁波能量在波導(dǎo)管內(nèi)部空間被引導(dǎo)向+z方向傳輸。在金屬波導(dǎo)中不能夠傳輸TEM波，這是因?yàn)樗荒軡M足金屬波導(dǎo)的邊界條件。若TEM波在波導(dǎo)中存在，則磁力線應(yīng)在波導(dǎo)平面內(nèi)，而且是一閉合曲線。根據(jù)麥克斯韋方程，在此閉合曲線磁場(chǎng)的線積分應(yīng)等于與閉合曲線交鏈

7、的軸向電流，此軸向電流可以是傳導(dǎo)電流或位移電流。我們知道在空芯波導(dǎo)內(nèi)不可能存在軸向傳導(dǎo)電流，而根據(jù)TEM波的定義，TEM波不存在縱向電場(chǎng)，因此也不可能存在縱向位移電流。因此可以得出在波導(dǎo)橫截面內(nèi)不可能存在閉合的磁力線的結(jié)論，故可以斷定在波導(dǎo)中部可能存在TEM波。圓柱形波導(dǎo)及其傳輸特性圓柱形波導(dǎo)（簡(jiǎn)稱(chēng)圓波導(dǎo)）是橫截面為圓形的空芯金屬波導(dǎo)管，它的求解方法和原理與矩形波導(dǎo)內(nèi)場(chǎng)量分布的方法一樣，但圓柱形波導(dǎo)比較方便。同軸線及其傳輸特性同軸線的導(dǎo)波裝置是雙導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，傳輸電磁波的主模式是TEM波。從場(chǎng)的觀點(diǎn)看，同軸線的邊界條件既能支持TEM波傳輸，也能支持TE波或TM波傳輸，究竟哪些波能在同軸線中傳輸，則

8、取決于同軸線的尺寸和電磁波的頻率。同軸線是一種寬頻帶的導(dǎo)波裝置。當(dāng)工作波長(zhǎng)大于10cm時(shí)，矩形波導(dǎo)和圓柱形波導(dǎo)就顯得尺寸過(guò)大而笨重，而相應(yīng)的同軸線卻不大。同軸線的特點(diǎn)之一是可以從直流一直工作到毫米波波段，因此無(wú)論在微波整機(jī)系統(tǒng)、微波測(cè)量系統(tǒng)或微波元件中，同軸線都得到廣泛的應(yīng)用。諧振腔空腔諧振腔（簡(jiǎn)稱(chēng)諧振腔）是微波系統(tǒng)中的一個(gè)最基本的元件，在微波電路中起著儲(chǔ)存電磁波的能量和選擇電磁波頻率的作用。諧振腔的結(jié)構(gòu)形式很多，即可用傳輸線構(gòu)成，也可用非傳輸線的特殊腔體構(gòu)成。無(wú)論是何種結(jié)構(gòu)的諧振腔，要獲得對(duì)其完整的理論描述，必須從電磁場(chǎng)方向出發(fā)，解其滿足特定邊界條件的電磁場(chǎng)方程，所以電磁場(chǎng)理論是分析諧振腔的

9、基本理論。一個(gè)橫截面尺寸為a*b的矩形金屬波導(dǎo)，當(dāng)在長(zhǎng)度為L(zhǎng)的兩端用金屬導(dǎo)體封閉時(shí)，就可構(gòu)成一個(gè)矩形空腔諧振器。電場(chǎng)和磁場(chǎng)能量被儲(chǔ)存在腔體內(nèi)，功率損耗由腔體的金屬壁與腔體內(nèi)填充介質(zhì)引起。諧振腔與外界的孔藕合可由腔體壁上的小孔或腔內(nèi)的探針(或耦合環(huán))來(lái)完成。圓柱形諧振腔是由一段長(zhǎng)度為L(zhǎng)的兩端短路的圓波導(dǎo)構(gòu)成的。實(shí)用的圓柱形諧振腔常用作微波波長(zhǎng)計(jì)，其頂端做成可調(diào)短路活塞，通過(guò)調(diào)節(jié)其長(zhǎng)度可對(duì)不同頻率調(diào)諧。諧振腔通過(guò)小孔或耦合環(huán)與外界耦合。(3)微波的特性不同范圍的電磁波既有其相同的特性，又有各自不同的特點(diǎn)，微波既是電磁波的一種，下面對(duì)微波的特點(diǎn)作簡(jiǎn)要介紹。微波的波長(zhǎng)很短，其波長(zhǎng)比之建筑物、飛機(jī)、船舶

10、等的幾何尺寸要小得多。因此微波與幾何光學(xué)中光傳輸?shù)奶攸c(diǎn)很接近，具有直線傳播的性質(zhì)。利用這個(gè)特點(diǎn)可制成方向性極強(qiáng)的天線、雷達(dá)等。微波的頻率很高，其電磁振蕩周期短到跟電子管中電子在電極間渡越所經(jīng)歷的時(shí)間可以相比擬，因此普通的電子管已經(jīng)不能用作微波振蕩器、放大器和檢波器，必須采用原理上完全不相同的微波電子管(速調(diào)管、磁控管、行波管)來(lái)代替。另外，微波傳輸線、微波元器件和微波測(cè)量設(shè)備的線度與波長(zhǎng)有相近的數(shù)量級(jí)，因此分立的電阻器、電容器、電感器等已不適用于微波段，必須采用原理上完全不同的微波元器件。微波段在研究方法上不像低頻無(wú)線電那樣去研究電路中的電壓和電流，而是研究微波系統(tǒng)中的電磁場(chǎng)，以波長(zhǎng)、功率、駐

11、波系數(shù)等作為基本測(cè)量參量。許多原子、分子能級(jí)間躍遷輻射或吸收的電磁波的波長(zhǎng)正好處在微波波段，人們利用這一特點(diǎn)去研究原子、原子核和分子的結(jié)構(gòu)，發(fā)展了微波波譜學(xué)、量子無(wú)線電物理等尖端學(xué)科，以及研究低噪聲的量子放大器和極為準(zhǔn)確的原子、分子頻率標(biāo)準(zhǔn)。某些波段的微波能暢通無(wú)阻地穿過(guò)地球上空的電離層，因此微波為宇宙通信、導(dǎo)航、定位以及射電天文學(xué)的研究和發(fā)展提供了廣闊的前景。(4)微波順磁共振由以上微波的特性可知，在微波波段，不論處理問(wèn)題時(shí)所用的概念、方法，還是微波系統(tǒng)的原理結(jié)構(gòu)，都與普通無(wú)線電不同。也正是因?yàn)槲⒉ň哂羞@些特點(diǎn)，采用微波磁場(chǎng)代替射頻場(chǎng)，這樣磁共振的靈敏度和分辨率都較高，從而獲得自旋共振的超精

12、細(xì)結(jié)構(gòu)譜線網(wǎng)。1.2微波順磁共振實(shí)驗(yàn)的微波元件微波ESRif儀由產(chǎn)生恒定磁場(chǎng)的電磁鐵及電源，產(chǎn)生交變磁場(chǎng)的微波源和微波電路，帶有待測(cè)樣品的諧振腔以及ESR言號(hào)的檢測(cè)和顯示系統(tǒng)等組成，下面對(duì)微波源、魔T、可調(diào)矩形諧振腔和單螺調(diào)配器等做簡(jiǎn)單介紹4。(1)微波源微波源可采用反射速調(diào)管微波源或固體微波源?？紤]到目前實(shí)驗(yàn)室所用的反射速調(diào)管微波源輸出的微波頻率不夠穩(wěn)定，當(dāng)其輸入到Q值很高的諧振腔時(shí)，將會(huì)使諧振腔內(nèi)的振動(dòng)模式紊亂，即出現(xiàn)失諧。為了克服這一現(xiàn)象，通常采用正弦波(在ESR實(shí)驗(yàn)中，一般用200kHz)對(duì)微波進(jìn)行調(diào)制的辦法，使其成為調(diào)頻微波，只要諧振腔的固有頻率fo被包含在調(diào)頻微波的范圍內(nèi)，就可以克

13、服由于微波頻率不穩(wěn)定而產(chǎn)生失諧的現(xiàn)象。而固體微波源具有壽命長(zhǎng)、價(jià)格低以及直流電源結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)能輸出頻率較穩(wěn)定的微波。當(dāng)用其做微波源時(shí)，ESR的實(shí)驗(yàn)裝置比采用速調(diào)管的實(shí)驗(yàn)裝置更為簡(jiǎn)單，因此固體微波源目前較常用。（2）可調(diào)的矩形諧振腔可調(diào)的矩形諧振腔既為樣品提供線偏振磁場(chǎng)，同時(shí)又將樣品吸收偏振磁場(chǎng)能量的信息傳遞出去。諧振腔的末端是可移動(dòng)的活塞，調(diào)節(jié)其位置，可以改變諧振腔的長(zhǎng)度，腔長(zhǎng)可以從帶游標(biāo)的刻度連桿讀出。為了保證樣品處于微波磁場(chǎng)最強(qiáng)處，在諧振腔寬邊最中央開(kāi)了一條窄槽，通過(guò)機(jī)械傳動(dòng)裝置可以使樣品處于諧振腔中的任何位置。樣品在諧振腔中的位置可以從窄邊上的刻度直接讀出。（3）魔T魔T的作用是

14、分離信號(hào)，并使微波系統(tǒng)組成微波橋路，按照其接頭的工作特性，當(dāng)微波從任一臂輸入時(shí)，都進(jìn)入相鄰兩臂，而不進(jìn)入相對(duì)臂。（4）單螺調(diào)配器單螺調(diào)配器是在波導(dǎo)寬邊上開(kāi)窄槽，槽中輸入一個(gè)深度和位置都可以調(diào)節(jié)的金屬探針，當(dāng)改變探針穿伸到波導(dǎo)內(nèi)的深度和位置時(shí)，可以改變此臂反射波的幅值和相位。.順磁共振的發(fā)展及其應(yīng)用順磁共振的發(fā)展電子自旋的概念是Pauli在1924年首先提出的，1925年S.A.Goudsmit和G.Uhlenbeck用他來(lái)解釋某種元素的光譜精細(xì)結(jié)構(gòu)獲得成功，Stern和Gerlaok也以實(shí)驗(yàn)直接證明了電子自旋磁矩的存在。電子自旋共振（ESR,又稱(chēng)電子順磁共振（EPR）。它是指處于恒定磁場(chǎng)中的電

15、子自旋磁矩在電磁場(chǎng)作用下發(fā)生的一種磁能極間的共振躍遷現(xiàn)象。這種共振躍遷現(xiàn)象只能發(fā)生在原子的固有磁矩不為零的順磁材料中，稱(chēng)為電子順磁共振，1944年由前蘇聯(lián)的柴伏依斯基首先發(fā)現(xiàn)。它與核磁共振（NMR現(xiàn)象十分相似，所以1945年P(guān)urcell、Paund、Bloch和Hanson等人提出的NMR；驗(yàn)技術(shù)后來(lái)也被用來(lái)觀測(cè)EPFRE象。EPRB被成功地應(yīng)用于順磁物質(zhì)的研究，目前它在化學(xué)、物理、生物和醫(yī)學(xué)等各方面都獲得了及其廣泛的應(yīng)用。直到第二次世界大戰(zhàn)時(shí)，由于雷達(dá)等高頻和微波電子學(xué)的快速發(fā)展和應(yīng)用，柴伏依斯基在1944年發(fā)表了對(duì)幾種Mn和Cr的化合物溶液在波長(zhǎng)約25-50m的高頻磁場(chǎng)和0-0.06T的

16、恒定磁場(chǎng)中磁化率虛部（吸收）變化的實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果，發(fā)現(xiàn)氯化鎰合四水的酒精溶液（濃度0.175g/cm3）,在波長(zhǎng)為25.0m的高頻磁場(chǎng)和約0.003-0.004T的恒定磁場(chǎng)同時(shí)作用下的共振吸收峰.他把這些實(shí)驗(yàn)結(jié)果稱(chēng)為溶液在垂直（磁）場(chǎng)中的順磁弛豫，這就是最早發(fā)表的順磁共振實(shí)驗(yàn)研究.1945年，弗連克爾針對(duì)柴伏依斯基的上述實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果利用磁共振理論作了理論解釋?zhuān)⒅赋銎淅碚撚?jì)算與柴伏依斯基的實(shí)驗(yàn)結(jié)果相符合.緊接著柴伏依斯基1944年在前蘇聯(lián)發(fā)現(xiàn)高頻段的順磁共振之后,1946年，坎默羅等在微波頻段觀側(cè)到MnSO-4H2O順磁鹽在室溫下2930MH新波磁場(chǎng)和0.llT恒定磁場(chǎng)中的順磁共振吸收.1947

17、年，巴古萊和格里菲思又在波長(zhǎng)為33-10cm的微波波段觀測(cè)到銘磯單晶體在室溫下的順磁共振，并首次觀測(cè)到順磁共振在不同晶軸方向的各向異性切.值得注意的是，格里菲思還在1946年發(fā)現(xiàn)了金屬Fe,Co和Ni的鐵磁共振.我國(guó)學(xué)者向仁生早在1947年也在國(guó)外參加了對(duì)銘鐵磯順磁鹽的微波順磁共振研究工作。最早的順磁共振雖是在一些順磁鹽類(lèi)中發(fā)現(xiàn)的，但后來(lái)的理論和實(shí)驗(yàn)研究表明，在眾多的物質(zhì)和物態(tài)中都可觀測(cè)到順磁共振現(xiàn)象.由于順磁共振反映了所研究物質(zhì)中順磁離子和其他未成對(duì)電子負(fù)載者（或稱(chēng)載磁子）的微觀能級(jí)或能帶結(jié)溝，因而成為研究這些物質(zhì)的宏觀物性與微觀結(jié)構(gòu)聯(lián)系的一種重要方法.一般說(shuō)來(lái)，順磁共振研究的載磁子有兩類(lèi)：

18、一類(lèi)載磁子是存在于過(guò)渡元素族原子（離子）的未滿內(nèi)電子殼層中，如鐵（Fe）族（3d電子）、鋁（pd）族（4d電子）、鉗（pt）族（5電子）、稀土族（4f電子）和婀（Ac）族（5f電子）的未抵消電子磁矩，由這類(lèi)載磁子產(chǎn)生的順磁共振稱(chēng)為狹義順磁共振；另一類(lèi)載滋子是存在于原子（離子）的未滿外電子殼層或共有化電子中，如一些金屬和半導(dǎo)體的導(dǎo)電電子，一些無(wú)機(jī)物和有機(jī)物的自由基，晶體缺陷（如位錯(cuò)）和輻照損傷（如色心）等，由這類(lèi)載磁子產(chǎn)生的順磁共振稱(chēng)為電子自旋共振.在順磁共振發(fā)現(xiàn)以來(lái)的半個(gè)多世紀(jì)中，其研究對(duì)象、領(lǐng)域和方法等已經(jīng)有了很多和很重要的發(fā)展，其中主要的發(fā)展有以下幾方面：（1）順磁共振研究對(duì)象的擴(kuò)大早期的

19、順磁共振研究對(duì)象僅限于傳統(tǒng)的各種順磁鹽類(lèi)，例如對(duì)絕熱退磁產(chǎn)生超低溫的多種順磁鹽類(lèi)的研究，由此獲得磁致能級(jí)分裂的信息.后來(lái)順磁共振研究擴(kuò)大到多種順磁金屬、順磁有機(jī)材料和順磁生物材料的研究.由于金屬的電阻率低，渦流損滋大和趨膚效應(yīng)嚴(yán)重，因而發(fā)展了金屬薄膜和微粉的順磁共振研究.由于有機(jī)材料和生物材料的載磁子濃度低和信號(hào)弱，推動(dòng)了高靈敏度順磁共振技術(shù)的發(fā)展.含雜質(zhì)或受脅弓II的半導(dǎo)體，含自由基和自旋標(biāo)記的物質(zhì)，受輻照或其他乍用的材料產(chǎn)生的缺陷、色心、位錯(cuò)或鏈斷裂的未成對(duì)電子，都會(huì)產(chǎn)生電子自旋共振.這些研究對(duì)象和領(lǐng)域的擴(kuò)大，既推動(dòng)了順磁共振向高靈敏度、高分辨率和寬頻譜等方向的發(fā)展，又?jǐn)U大了順磁共振在科學(xué)

20、研究和高新技術(shù)的應(yīng)用.（2）順磁共振訟超精細(xì)結(jié)構(gòu)的研究隨著高分辨率和高靈敏度順磁共振技術(shù)的發(fā)展，相繼觀測(cè)到順磁共振譜的精細(xì)結(jié)構(gòu)和超精細(xì)結(jié)構(gòu)，其中精細(xì)結(jié)構(gòu)譜與電子能級(jí)結(jié)構(gòu)有關(guān)，而超精細(xì)結(jié)構(gòu)譜則與電子一（原子）核相互作用有關(guān).因此可以由順磁共振研究原子核的自旋磁矩和電四極矩以及晶（體）場(chǎng)等的信息.例如，由稀釋的含結(jié)晶水的硫酸鉀鋅鎰鹽的Mn離子順磁共振譜的超精細(xì)結(jié)構(gòu)和精細(xì)結(jié)構(gòu)，便可獲得Mn離子的核自旋、電子一核相互作用和兩種晶位的信息；由稀釋的三氯化側(cè)鈾的順磁共振譜超精細(xì)結(jié)構(gòu)，可以了解鈾核的電四極相互作用和磁超精細(xì)相互作用（3）順磁聲共振的研究對(duì)于金屬說(shuō)來(lái)，由于趨膚效應(yīng)和高頻電磁損耗，我們不能觀測(cè)金

21、屬塊體材料的順磁共振，而只能觀測(cè)金屬薄膜和金屬微粉的順磁共振.但是，如果利用高頻聲波代替高頻電磁波，則因?yàn)槁暡](méi)有電磁波那樣的趨膚效應(yīng)和電磁損耗，因而可以透入金屬.這樣便可利用一定強(qiáng)度的恒定磁場(chǎng)和一定頻率的聲波，在順磁金屬內(nèi)產(chǎn)生順磁聲共振，也就可以利用順磁聲共振來(lái)研究順磁金屬和其他低電阻率材料（4）順磁雙共振的研究一般順磁共振是在單一恒定磁場(chǎng)和單一頻率的高頻磁場(chǎng)下，在滿足順磁共振條件下產(chǎn)生的共振吸收現(xiàn)象.后來(lái)隨著研究的深人和實(shí)驗(yàn)技術(shù)的發(fā)展，又觀測(cè)到含有順磁共振的雙（磁）共振現(xiàn)象.例如，在同一恒定磁場(chǎng)下，可以對(duì)同一順磁物質(zhì)施加一定的微波磁場(chǎng)和射頻磁場(chǎng)，當(dāng)滿足一定關(guān)系時(shí)，會(huì)同時(shí)產(chǎn)生電子順磁共振和核

22、磁共振，稱(chēng)為電子一核雙共振.已經(jīng)利用電子一核雙共振來(lái)產(chǎn)生原子核磁矩的極化效應(yīng).在同一恒定磁場(chǎng)作用下，對(duì)含有3個(gè)磁能級(jí)的順磁物質(zhì)，在一定磁能級(jí)結(jié)構(gòu)和彳股波磁場(chǎng)激勵(lì)下，可以放大或產(chǎn)生另一微波頻率的信號(hào)，這就是順磁微波量子放大器，也可稱(chēng)為電子一電子雙共振.如果對(duì)順磁物質(zhì)在同一恒定磁場(chǎng)下施加一定頻率的光頻電磁場(chǎng)和微波磁場(chǎng)，也可在一定條件下產(chǎn)生光頻和微波的雙共振，可稱(chēng)為電子一光雙共振?？梢岳眠@種電子一光雙共振來(lái)研究原子能譜和原子碰撞理論以及順磁物質(zhì)能譜等問(wèn)題。順磁共振的應(yīng)用順磁共振是順磁物質(zhì)或其他物質(zhì)中載磁子（未抵消的電子磁矩）在恒定磁場(chǎng)和交變磁場(chǎng)同時(shí)作用下并滿足順磁共振條件時(shí)產(chǎn)生的共振吸收現(xiàn)象，也可

23、以說(shuō)是電子磁矩（自旋）在磁脂級(jí)間的量子躍遷現(xiàn)象.這些特點(diǎn)正是順磁共振在科學(xué)研究、高新技術(shù)和生產(chǎn)實(shí)際中得到重要應(yīng)用的基礎(chǔ).經(jīng)過(guò)幾十年的研究、開(kāi)發(fā)和試驗(yàn)，順磁共振已經(jīng)在許多方面得到引人注目的應(yīng)用，其中特別受到重視的有：（1）在物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究中的應(yīng)用在當(dāng)代凝聚體物理和材料科學(xué)中，研究物質(zhì)的宏觀性質(zhì)與微觀結(jié)構(gòu)的關(guān)系是闡明材料性能機(jī)理和探索新材料的重要途徑.順磁共振正是研究含載磁子的許多功能材料的某些微觀結(jié)構(gòu)、動(dòng)態(tài)性能和弛豫過(guò)程的一種重要方法.例如，在很寬的溫度范圍（2300K）研究CuGeO的順磁共振（9和35GHz）,觀測(cè)到Cu2+離子共振信號(hào)在低于14KM顯著降低,可能是由磁相變或結(jié)廠溝相變所引起；

24、首次研究了天然的、合成的以及煤中含的方解石中Mn2鎂質(zhì)的順磁共振譜，并將實(shí)驗(yàn)同理論進(jìn)行比較，得出過(guò)去忽略的三角晶場(chǎng)劈裂起著重要岸用的結(jié)果；為了探討高溫超導(dǎo)體的超導(dǎo)性與磁性的關(guān)系，研究了不同含氧量的ErYBaCu一O在1.377K的順磁共振（36.5GHz）,并用隨機(jī)模型作了解釋.（2）在生命科學(xué)中的應(yīng)用核磁共振成像在現(xiàn)代醫(yī)學(xué)和生物學(xué)中的重要應(yīng)用是眾所周知的，但是（電子）順磁共振在這些方面的應(yīng)用卻一般不熟悉.實(shí)際上順磁共振在生命科學(xué)中的應(yīng)用也是很多和很重要的.從某種意義上說(shuō)，順磁共振與核磁共振的應(yīng)用是各有特點(diǎn)，相輔相成的.例如，研究300多例癌癥患者和正常人的全血試樣的順磁共振譜，觀測(cè)到多種癌癥

25、患者的自由基譜線強(qiáng)度都顯著高于正常人；在生物固氮中起關(guān)鍵作用的固氮酶含有兩種重要組分，即鐵蛋白和鑰鐵蛋白，用順磁共振進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)固氮酶的活注中心結(jié)構(gòu)可能與鐵蛋白相似；由觀測(cè)研究人的氧合血紅蛋白的氧化氮（NO）水溶液的順磁共振，可以測(cè)得NOT散進(jìn)這種蛋白的擴(kuò)散速率和擴(kuò)散常數(shù)，表明順磁共振是一種研究生物系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)過(guò)程的有效方法在量子電子學(xué)中的應(yīng)用在無(wú)線電電子學(xué)技術(shù)獲得迅速發(fā)展和重要應(yīng)用之后，如何得到信息容量更大、頻率更高的相干甩磁波源？這是20世紀(jì)50年代面臨的重安挑戰(zhàn).在利用氨分子能級(jí)間量子躍遷研制成第一臺(tái)微波量于放大七割舀不久，便利用順磁化合物的磁能級(jí)間的量子躍遷研制成功微波順磁固體量子放大

26、器.這些量子放大器工作在微波波段，相干性強(qiáng)，頻率加I定，噪聲低，統(tǒng)稱(chēng)為微波激射器（Maser）.Maser的這些特點(diǎn)使它們?cè)谶h(yuǎn)距離微波通信、衛(wèi)星通信和射電天文等高新技術(shù)中獲得了重要的應(yīng)用.順磁量子放大器是在順磁共振的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，也是量子電子學(xué)的重要組成部分，而量子電子學(xué)的進(jìn)一步發(fā)展又開(kāi)創(chuàng)了激光、光電子學(xué)及光子學(xué)的新時(shí)代.（4）在工業(yè)等方面的應(yīng)用順磁共振和核磁共振分別是電子磁矩和（原子）核磁矩在恒定磁場(chǎng)和高頻磁場(chǎng)同時(shí)作用并滿足一定條件時(shí)所產(chǎn)生的共振現(xiàn)象，因此都可作為探測(cè)物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的工具，所不同的是所探測(cè)物質(zhì)必須含有未抵消的電子磁矩（順磁共振）和核磁矩（核磁共振）.正如核磁共振在多種工業(yè)上

27、作為物質(zhì)組成的定性和定量分析方法一樣，順磁共振也有類(lèi)似的應(yīng)用，特別是對(duì)于自由基、順磁原子（離子）和某些缺陷的檢測(cè)更是其他方法所不能或難于做到的.例如,順磁共振可應(yīng)用于多種激光晶體、非線性光學(xué)材料、半導(dǎo)體材料和其他新材料的檢測(cè)和研究.微波順磁共振的應(yīng)用前景及價(jià)值自1944年發(fā)現(xiàn)順磁共振以來(lái)的半個(gè)多世紀(jì)中，順磁共振的研究已日益深人，應(yīng)用范圍也不斷擴(kuò)大，已成為磁共振高新技術(shù)中一個(gè)重要的組成部分.但隨著信息時(shí)代的到來(lái)，人們對(duì)獲取物質(zhì)和人體內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)信息的磁共振技術(shù)也提出了更多更高的要求，從而推動(dòng)其更好地向前發(fā)展.從順磁共振方面看，回顧其發(fā)展的歷程，可以作如下展望：(1)更高頻率和更高分辨率的順磁共振

28、技術(shù)最初，順磁共振是在兆赫級(jí)的射頻波段實(shí)現(xiàn)的，其靈敏度和分辨率都很低，隨后發(fā)展了分米波段和厘米波段的順磁共振研究，在靈敏度和分辨率等方面都有了很大的改進(jìn)，這是同微波技術(shù)的發(fā)展分不開(kāi)的.當(dāng)前微波技術(shù)正在向毫米波段以至亞毫米波段發(fā)展，為順磁共振向更高頻段和更高分辨率發(fā)展提供了有利條件.當(dāng)然，更高頻率的順磁共振還需要解決強(qiáng)磁場(chǎng)問(wèn)題.從高頻高分辨核磁共振已取得的優(yōu)異效果看，發(fā)展更高頻段和更高分辨率的順磁共振是極有意義的.(2)活體的順磁共振研究以往的順磁共振研究?jī)H限于非生物材料和離體的生物材料，雖然也取得了許多重要的成果.但是，隨著生命科學(xué)的迅猛發(fā)展，利用順磁共振研究活體中一些生命過(guò)程是非常需要的.例

29、如，利用順磁共振研究活體光合作用中的自由基變化，利用順磁共振研究活體呼吸時(shí)血紅蛋白中的鐵在氧合和非氧合時(shí)的價(jià)態(tài)變化等，這些都將為相關(guān)生命過(guò)程的研究提供重要的信息。(3)順磁共振成像的研究和應(yīng)用核磁共振成像在醫(yī)學(xué)上的重要應(yīng)用已得到公認(rèn).這種成像技術(shù)在原理上也可應(yīng)用于順磁共振，當(dāng)然也存在不少技術(shù)上的困難，如載磁子濃度不高，信號(hào)較弱，有的共振線寬還較寬等.但是，如果順磁共振成像研制成功并得到應(yīng)用，其意義將會(huì)是很大的.例如，它將在晶體材料缺陷的檢測(cè)，順磁晶體質(zhì)量的評(píng)判及生物(離體和活體)中自由基分布和變化的觀測(cè)研究等許多方面顯示其重要的作用.(4)自旋標(biāo)記順磁共振的應(yīng)用抗磁性物質(zhì)(如絕大部分生物材料)

30、不含磁矩(自旋)未抵消的載磁子，不會(huì)產(chǎn)生順磁共振.但是，如果把含穩(wěn)定自由基的分子作為環(huán)境探針?lè)肿樱尤说叫枰芯康目勾判苑肿又羞@個(gè)自由基產(chǎn)生的順磁共振便可反映自由基周?chē)瘜W(xué)環(huán)境的微觀結(jié)構(gòu)信息.這種方法稱(chēng)為自旋標(biāo)記法.利用自旋標(biāo)記的順磁共振可以研究抗磁性分子(特別是生物大分子)為極性、運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和缺陷分布等.例如，自旋標(biāo)記順磁共振結(jié)合其他實(shí)驗(yàn)方法，可以研究生物的蛋白質(zhì)、酶、膜和核酸的結(jié)構(gòu)甚至高級(jí)結(jié)構(gòu)；由自旋標(biāo)記順磁共振實(shí)驗(yàn)，可判明牛紅細(xì)胞膜比牛膀朧內(nèi)膜具有較好的分子排列有序性和較差的流動(dòng)性；由紅細(xì)泡膜蛋白質(zhì)的自旋標(biāo)記順磁共振多線譜，分析這些譜線不同的強(qiáng)度、寬度和超精細(xì)裂距等參量，可以了解細(xì)胞內(nèi)分子與細(xì)胞膜表面的鍵聯(lián)及自旋標(biāo)記分子的運(yùn)動(dòng)情況.但是，在應(yīng)用自旋標(biāo)記順磁共振方法時(shí)，必須選用不會(huì)改變和破壞所研究